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基於Web的智能工廠機床遠程（chéng）監控技術研（yán）究

2018-3-29 來源：中車南京浦鎮車輛有限公司,南京康賽飛爾電作者：馬曉光徐力盧（lú）虓宇高孫權

摘要（yào）:提出（chū）了一（yī）種基於（yú）Web的智能工廠機床遠程監控解決方案，設計了三層網絡架構並（bìng）描述了各層的作用，分析（xī）了所采用的（de）關鍵技術，包括OEM二次開發技術、Socket技術及ActiveX技術。在此基礎上，利用VB開發了開放型（xíng）CNC中央控製軟件及CNC機床OEM應用軟件，並采用htm15與Java技術設（shè）計了基於B/S架構的Web應用程序係統（tǒng），運行結果（guǒ）表明:係統（tǒng）穩定可靠，能（néng）滿足應用需求。

關鍵詞:Web 智能工廠機床遠程監控

在18世紀60年代，人類爆發（fā）了（le）第一次工業革命，即工業1.0一用蒸汽機、機械裝置進行（háng）生產。第二次與第三次工業（yè）革命分別開辟了流水線電氣自動化和信息（xī）化（huà）的領域（yù）。每一次工業革（gé）命的爆發都是起因於當（dāng）時日益增長的社會發展需求與落後的社會生產力之間的矛盾。當今，自動化技術與信息化技術（shù）的高速發展，預示著人類將迎來第（dì）四次（cì）工業革命一（yī）一工業4.0 。

工業4.0是（shì）由德國政府在2013年漢諾（nuò）威工業博覽會上首次提出（chū）的，主（zhǔ）要包括智能工廠和智能生產兩人主（zhǔ）題其中，智能（néng）生（shēng）產屬於企業的運營、研發和管（guǎn）理等宏觀層（céng）麵，智能工廠則（zé）是由生產（chǎn）過程管控與數字化設備網絡化分布式實現，範（fàn）圍（wéi）在車間，是具體的生產執行層。

智能工（gōng）廠是未來工廠的發展方向，以控製技術為載體將（jiāng）自動化技術與信息（xī）化技術（shù）進行融合，而基於計算機的控製技術為未來的工業自動化解決方案提供了最佳的控製架構。德國西門子SINUME係列數控（kòng）係統在國內應用廣（guǎng）泛，尤其是基於計算機的840D數控係統以其優越的開放性、擴展性（xìng）、接（jiē）口性能及穩定性，成為（wéi）高端數控（kòng）設（shè）備的首選係統。

筆者以某鐵路客車生產企業輪軸生產線為背景，以840D數（shù）控係（xì）統為研究對象，開展基於Web的軟硬件結合遠程監控技術研究，為實（shí）現智能化工廠（chǎng）奠（diàn）定（dìng）基礎。

1、SINUMERIK 840D數控係（xì）統（tǒng）原理

1.1 係（xì）統軟件框架

係統的運行狀態數據以NC數據塊變量（liàng）的形式存儲於NCK中.因（yīn）此人機（jī）交互裝置MMC可以通過BTISS接口來（lái）存取NCK中的（de）各個變量，從而實現對機床（chuáng）係（xì）統變量的交互，這一功能主要（yào）依靠西門子公司的一套安裝在MMC中的HMI軟件（jiàn）實現HMI軟件架構。如圖（tú）1所示，主要由硬件層、操作係統（tǒng）及驅動層、應用層三個部分組成，從應用層中可以看出，安裝在MMC中的HMI軟件是通過獲取NCDDE服務器中的NC/PLC數據來實現對機床的監視與控製的（de）。根據此原理，筆者（zhě）以（yǐ）NCDDE服（fú）務器為（wéi）橋梁，利用西（xī）門（mén）子（zǐ）提供的OEM軟件開發用（yòng）戶（hù）程（chéng）序實現與NC/PLC之間（jiān）的通信。

圖1 HMI軟件框（kuàng）架

1 .2 係統通信原理

由於HMI軟件中包（bāo）含的NCDDE服（fú）務器並沒有提供外（wài）露（lù）的通信接口.因此必須找到它的接口才能使開發的OEM用戶程序能夠通過NCDDE服務器來建（jiàn）立與NC/PLC的通信（xìn）連（lián）接。840D數控係統中的NCDDE服務器提供了多種通信（xìn）服務（wù），使HMI軟件能夠與NCK/PLC建立連接.通信原理（lǐ）如圖2所（suǒ）示。

圖2 HMI軟件通（tōng）信原理

1.3 係統開發原（yuán）理

從圖2可以看出，NCDDE服務器提供的通（tōng）信服務類（lèi）型主要包（bāo）括域服務、變量服務和PI服務其中域服務主要通（tōng）過IMC文件、IDAS和文件瀏覽控件實現從HMI複製文件到NCK,或NCK從數（shù）據管理器複製文件到HMI變量（liàng）服務通過DCTL控件與OPC數據存取獲取機床NC ,PLC與驅（qū）動的數據。PI服務通過IMC命令執行機床的NC程序與PLC程序木項（xiàng）目選擇（zé）變量服務與PI服務來分別實現數控（kòng）機床的運行狀態（tài）監視及自動控製。變量服（fú）務中提供（gòng）了兩（liǎng）種HMI軟件訪問NC/PLC的通信方（fāng）式:OPC與（yǔ）DCTL控件通（tōng）信方式。OPC方式具有良好的開放性及強大的功能（néng），但是其編程工作量大，對編程人員有很（hěn）高的要求。DCTL控件是（shì）專為840D數控係統（tǒng）人機界麵設計提供的一種（zhǒng）控件，很容易（yì）實現用戶程序與數控係（xì）統之間的通信。筆者使用DCTL控件進行HMI軟件的二次開發。開發原理如圖3所示。

圖3 HMI軟件二（èr）次開發原理

2、遠程監（jiān）控係統總體網絡架構

基於Web的智能工廠機床遠程監控係統采用三層架構，如圖4所示。第一層為車間設備層，包括機床、工業以太網與交換機（jī）等。第二層為監控層，包括中央（yāng）控（kòng）製計算機、Web服務器、數據庫服務器（qì）及文件服（fú）務器等（děng）。第三層（céng）為客（kè）戶端層，用戶隻需要在客戶終端計算機上安裝IE6.0及以上版木的瀏覽（lǎn）器，就能夠訪問Web服務器，從而能夠對機床進行遠程監控。

圖4 遠程監控係統網絡（luò）總體架構

圖5 遠程（chéng）監控係統工作（zuò）原理

如圖5所示，用戶通過瀏覽器輸入正（zhèng）確的IP地址及通過身份驗證後（hòu）進入車（chē）間或企業的Web服務器，這時Web服務器將含有相應功能的AetiveX控件頁（yè）麵（miàn）下載到瀏覽（lǎn）器中，AetiveX立即運行，與中央控製計算機及CNC三者之間自動建立（lì）基於客戶/服務器模式的套接字(Socket)通信（xìn），保證了數據傳輸（shū）的可靠性、穩定性和實時性。

3、采用（yòng）的關鍵技術

3.1 OEM二次開發技術

840D係統中用於任（rèn）務管理的（de）高級程序Regie主要包括（kuò）基木服務程序、區（qū）域應用程序（xù）、動態鏈接庫（kù），負責在初始化（huà）文件中讀取（qǔ）所需的參數，對係統初始化、係統通電、加載MMC和動態鏈接庫、啟動應用程序、係統配置、區域切換等任（rèn）務進行管理。筆者主要從Regie中的區（qū）域應用（yòng）程序入手，進行840D數控係統用戶程序的二（èr）次（cì）開發，主要包括以下三（sān）種程序：

(1)VB創建的嵌入在順序（xù）控製框（kuàng）架下的（de）OEM應用程序。

(2)VB/VC創建的運行於Windows的用戶程序。

(3) Windows下的其它標準應用程序，如EXCEL或記（jì）事本程序等。

根據本係統的設計需求，選擇第一種開發（fā）方案。

840D為用戶提供的二次開發文件係統(OEM)結構如圖6所示，共包含7個文件，用（yòng）戶通過對這些文件進行合理編輯、處理，嵌入HMI軟件係統中，從而實現二次開發功能（néng），滿足個性化需求。

圖6 OEM文件係統結（jié）構

3.2 Socket技術

Socket是TCP/IP協議傳輸層所提供（gòng）的API接口，是（shì）網絡間通（tōng）信的基石。Socket接口定義了許多函數或例程，TC P/IP上層的一些應用（yòng）軟件都是通過Socket來完成（chéng）的（de），可用於各種主流操作係統(Windows、 DOS、UNIX ,SUN OS等)，通信模（mó）型（xíng）如圖7所示（shì）。Socket提供（gòng）一套原語供用戶編程調用和訪問係統資源，並用於開發與網絡有關、實時性要（yào）求高的應用（yòng）軟件。

圖7 Socket通信模型（xíng）

Socket包含三種類型的套接口（kǒu），提供不同的網絡服務方式。流式套接字(SOCK_ STREAM)提供（gòng）牢靠的、以連接（jiē）為基礎的通（tōng）信（xìn）方（fāng）式，能夠保證邏輯分組的（de）有（yǒu）序性和傳輸過程的正確性。用戶數據套接字(SOCK-DGRAM)沒有連接機製，網絡數據即時發送，數據之間是獨立的，也不提供有序的數據（jù）分組。原始套（tào）接字(SOCK-RAW)直接（jiē）操作位於底層的通信協議，常在（zài）協議中（zhōng）開發使用。

中央控製計算機與各（gè）個機床之間需要事先建立網絡連接，才能執行中央控製計算（suàn）機端的控製任務。中央控製計算機采用服務器模式，機床采用客戶端模式，同時為了保證在互聯網上控製命令與數控程序數據傳輸的可靠性，設計（jì）中采用（yòng）流式套接（jiē）字的網絡服務方式。

3.3 ActiveX技術

AetiveX建立（lì）在Microsoft公司提出的COM/DCOM(組件/分布式（shì）組件對象模型)和OLE(對象的鏈接與嵌入)兩項技術的基礎上，進而在Web上（shàng）發展起（qǐ）來。AetiveX是一個能（néng）夠使軟件部件在網絡環境中（zhōng）進行交互的技術集（jí），與具體的編程語言無關。針對（duì）互聯網應用開發技術，AetiveX被廣泛應用於Web服務（wù）器（qì）及客戶端的各個方麵。

AetiveX控件是一個提供特定功能的二進製對象，如同一個計算機程序一樣，可以（yǐ）被加入到客戶/服務器應用程序、Web應用程序及使JavaScript和Vbscript的Web頁中，當通過瀏覽器(如IE )請求包含（hán）AetiveX控件的Web臾時，IE會自動檢測此控件是否（fǒu）已經注冊在係統的注冊表中，如（rú）果已注（zhù）冊將立即啟動（dòng）此控件，否則會將此（cǐ）控（kòng）件下（xià）載並注冊（cè）到係統中。利用腳木描述語言(Script )可以在控件之（zhī）間及客戶（hù）端與服務器之間設置屬性(Property )、調用方法（fǎ）(Method)和激活事件(Event)進行通信。

4、係統軟件開發及其應用（yòng）

遠程監控係（xì）統（tǒng）軟件開發主要（yào）包括兩部分:前台開發與後台開發。前台開發是在Drearnweaver開發環境下利用htrnl5文木標記語言進（jìn）行係統用（yòng）戶界麵的開發，同時調用ActiveX控件；後台開發是在MyEclipse 10開發環境下利用（yòng）Java語言實現連接mysql數據庫並處理業務邏輯。

為（wéi）了驗證機床遠（yuǎn）程監控係統的應用效果，筆者以輪軸柔性生產線上的2台成型磨（mó）床(數控（kòng）係統為（wéi）西門子840D)為對象進行了聯網（wǎng）測試，圖8為監測軟件測試現場。

圖8 監測軟（ruǎn）件測試現場

5、結束語（yǔ）

基於計算機的開放式（shì）數控機床應用（yòng）日益廣泛，研究該（gāi）類機床在遠程網絡下的監控係統具有（yǒu）很好（hǎo）的應（yīng）用前景。筆者以西門子840D數（shù）控係統為研究對象，提出了一種基於Web的智能工廠（chǎng）機床遠程監控係統（tǒng）設計方案，著重（chóng）論述（shù）了係統的總體（tǐ）網絡框架與相關的關鍵技術，使用（yòng）戶能（néng）夠遠程對數控係（xì）統進行監控，對智（zhì）能工廠的具體實施進行了探索（suǒ）和嚐試本係統應用到某鐵路客車生產企業的（de）輪軸生（shēng）產線（xiàn）上，目前係（xì）統運行穩定可靠，達到了預期的（de）效果和設計目的.

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